Το Μολυβδαίνιο στο προσκήνιο Understand article

Οδυσσέας-Σωτήριος Στεργίου (Odysseas-Sotirios Stergiou)- φοιτητής Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, ΔΠΘ και Παναγιώτης Κ. Στασινάκης (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος,…

Ένα δείγμα από μετάλλευμα
μολυβδαινίτη από το
ορυχείο του Κλάιμαξ(Climax)
στο Κολοράντο(Colorado),
ΗΠΑ

James St. John / Flickr

Στη φύση εντοπίζονται μόνο το 90% περίπου των χημικών στοιχείων. Μερικά από αυτά είναι πολύ οικεία – από λαμπερά πολύτιμα μέταλλα όπως ο χρυσός και η πλατίνα, μέχρι το οξυγόνο του αέρα που αναπνέουμε και ο άνθρακας που σχηματίζει την ραχοκοκαλιά των μορίων της ζωής. Πολλά άλλα στοιχεία είναι πολύ λιγότερο οικεία – αλλά,  ως μέλη αυτής της επιλεγμένης μπάντας των 90, ίσως ακόμη και τα πιο αφανή στοιχεία αξίζουν να γίνουν λίγο πιο γνωστά.

Σε αυτό το άρθρο, ωθούμε ένα από αυτά – τα χαμηλής ‘διασημότητας στοιχεία’ – το μολυβδαίνιο – στο προσκήνιο και αποκαλύπτουμε την μοναδική του ιστορία και το χαρακτήρα του.

Τί είναι το μολυβδαίνιο;

Για να το εξετάσουμε, το μολυβδαίνιο δεν είναι κάτι το αξιοσημείωτο: ένα σκληρό, αργυροειδές-γκρι μέταλλο, με πυκνότητα περίπου 30% περισσότερη από το σίδηρο. Στη φύση, εμφανίζεται μόνο με τη μορφή χημικής ένωσης – κυρίως στη μορφή ορυκτού μολυβδαινίτη, MoS2. Και παρόλο που το μολυβδαίνιο είναι γνωστό από τα αρχαία χρόνια, η ιστορία της ταυτοποίησής του ξεκίνησε με σύγχυση

Η λέξη ‘μολυβδαίνιο’ προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη μόλυβδος. Όπως ο μόλυβδος και ο γραφίτης, ο μολυβδαινίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σημαδέψουμε μια επιφάνεια, οπότε για αιώνες θεωρούνταν ότι ήταν ένα ακόμα ορυκτό που περιείχε μόλυβδο. Στο τέλος του 18ου αιώνα, κατά τη διάρκεια των πρώτων δεκαετιών της μοντέρνας χημείας, μερικοί άνθρωποι άρχισαν να υποπτεύονται ότι ο μολυβδαινίτης ήταν στην πραγματικότητα μια διαφορετική ουσία από τον μόλυβδο ή τον γραφίτη. Το 1778, ο μεγάλος Σουηδός χημικός, Carl Wilhelm Scheele – ο οποίος έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην ανακάλυψη του οξυγόνου και αρκετών άλλων χημικών στοιχείων – απέδειξε χημικά ότι ο μολυβδαινίτης ήταν στην πραγματικότητα μια χημική ένωση του θείου με ένα νέο, μη αναγνωρισμένο στοιχείο. Ένας άλλος Σουηδός χημικός, ο Peter Jacob Hjelm, στη συνέχεια απομόνωσε το μέταλλο το 1781, αλλά δεν ήταν επαρκώς καθαρισμένο μέχρι και για αρκετές δεκαετίες μετά.

Στη Γη, το μολυβδαίνιο δεν είναι άφθονο: κατατάσσεται στην 53η θέση ανάμεσα στα στοιχεία του φλοιού της Γης. Καθαρό, στοιχειακό μολυβδαίνιο δεν έχει βρεθεί ποτέ στη Γη (μόνο σε ενώσεις με άλλα στοιχεία) – όμως η Ρωσική αποστολή Luna 24 στο φεγγάρι το 1976 έφερε πίσω ένα μικρό κομμάτι καθαρού μολυβδαίνιου. Μέχρι και στο διάστημα, το Μολυβδαίνιο είναι σπάνιο, καθώς – σε αντίθεση με τα πιο ελαφριά μεταλλικά στοιχεία – δεν δημιουργείται σε κανονικές πυρηνικές συντήξεις στα αστέρια, αλλά δημιουργείται σε εκρήξεις σουπερνόβα.

Η ελικοειδής γέφυρα στην Σιγκαπούρη, κατασκευασμένη από κράμα που περιέχει 2% μολυβδαίνιο 
 Kinsman / IMOA

 

Δεδομένα για το μολυβδαίνιο

  • Όνομα στοιχείου: μολυβδαίνιο
  • Ατομικός αριθμός: 42
  • Σχετική ατομική μάζα: 95.96
  • Πυκνότητα: 10.22  g/cm3
  • Σημείο τήξης: 2623 οC
  • Συντελεστής θερμικής διαστολής: 4.8 x 10-6 / K στους 25 °C
  • Σθένος: κατάσταση οξείδωσης από -2 μέχρι 4

Ειδικά χαρακτηριστικά

Τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά για το Μολυβδαίνιο είναι το πολύ υψηλό σημείο τήξης του, 1000 οC πιο πάνω από αυτό του σιδήρου, και ο πολύ μικρός βαθμός διαστολής του όταν θερμαίνεται. Αυτό σημαίνει ότι το μολυβδαίνιο είναι ένα καλό υλικό για χρήση σε περιπτώσεις που χρειάζεται η σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως σε φούρνους.  Μια συνηθισμένη χρήση του μέχρι πρόσφατα ήταν σε λαμπτήρες πυρακτώσεως, όπου χρησιμοποιούνταν καθαρό σύρμα μολυβδαινίου για να υποστηρίξει το ζεστό λεπτό σύρμα.

Χημικά, το μολυβδαίνιο είναι στενά συνδεδεμένο με το βολφράμιο, το οποίο βρίσκεται ακριβώς από κάτω του στον περιοδικό πίνακα και μοιράζεται με το βολφράμιο την ικανότητα να σχηματίζει πολύ σκληρά κράματα με τον σίδηρο και άλλα στοιχεία. Το μολυβδαίνιο είναι ένα μέταλλο μετάπτωσης, και έτσι – όπως και τα άλλα στοιχεία μετάπτωσης – μπορεί να σχηματίσει ενώσεις με διαφορετικό σθένος (ο αριθμός των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται στους δεσμούς). Αυτό γίνεται γιατί τα άτομα στα μέταλλα μετάπτωσης έχουν χώρο όχι μόνο στην εξωτερική στιβάδα τους αλλά και σε πιο χαμηλή στιβάδα, επειδή επικαλύπτονται τα ενεργειακά επίπεδα των στιβάδων. Αυτή η μάλλον ρευστή διάταξη είναι η βάση για το ρόλο του Μολυβδαινίου στους ζωντανούς οργανισμούς ως φορέας ηλεκτρονίων, επειδή μπορεί να δανειστεί και να δεχτεί ένα μεταβλητό αριθμό ηλεκτρονίων την ίδια στιγμή.

Το στοιχείο μολυβδαίνιο, με το σύμβολο Μο, στη  θέση του στον περιοδικό πίνακα 
Antoine2K / Shutterstock.com

Απαραίτητο για τη ζωή

Το μολυβδαίνιο είναι απαραίτητο για τη ζωή, σε φυτά και ζώα. Είναι το μοναδικό απαραίτητο ιχνοστοιχείο μεταξύ των στοιχείων μετάπτωσης της 2ης περιόδου του περιοδικού πίνακα, η οποία κυμαίνεται από το ύττριο (ατομικός αριθμός 39) μέχρι το κάδμιο (ατομικός αριθμός 48). Ένζυμα τα οποία περιέχουν μολυβδαίνιο εντοπίζονται στα βακτήρια και στα αρχαία, δύο από τις πιο αρχαίες μορφές ζωντανών οργανισμών. Βασιζόμενοι σε αυτήν την ανακάλυψη, κάποιοι επιστήμονες εικάζουν ότι το μολυβδαίνιο ίσως να υπήρχε στις πρώιμες μορφές ζωής στη Γη – και επίσης στον ‘τελευταίο καθολικό κοινό πρόγονο’ όλων των έμβιων όντων.

Όπως και να έχουν τα πράγματα, είναι σίγουρο ότι τα ένζυμα που περιέχουν μολυβδαίνιο είναι απαραίτητα στα φυτά. Μερικά φυτά μπορούν να προμηθευτούν το άζωτο που χρειάζονται μέσω μιας συμβιωτικής σχέσης με αζωτοδεσμευτικά βακτήρια στις ρίζες τους. Αυτά τα βακτήρια χρησιμοποιούν ένζυμα νιτρογενάσης τα οποία περιέχουν μολυβδαίνιο για να δεσμεύσουν το ατμοσφαιρικό άζωτο και να το μετατρέψουν σε χρήσιμες ενώσεις αζώτου (Hernandez, 2009),συμπεριλαμβανομένων αμινοξέων και πρωτεϊνών. Τα φυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν ενώσεις αζώτου (όπως τα νιτρικά άλατα) στο έδαφος με τη βοήθεια ενός άλλου ενζύμου που χρησιμοποιεί μολυβδαίνιο, την νιτρική ρεδουκτάση. Μία μελέτη η οποία διεξήχθη το 1939 σε φυτά ντομάτας πρωτοκαθιέρωσε το μολυβδαίνιο ως απαραίτητο θρεπτικό συστατικό στα φυτά (Arnon & Stout, 1939).

Φυτά ντομάτας με ανεπάρκεια μολυβδαινίου. Στο Α, το φύλλο στα αριστερά έχει στίγματα λόγω της έλλειψης μολυβδαινίου. Στο Β, τα φυτά στο κέντρο και στα δεξιά έχουν σε προχωρημένο στάδιο έλλειψη μολυβδαινίου. Τα φυσιολογικά φύλλα φαίνονται στα δεξιά του Α και στα αριστερά του Β.
(Από Arnon & Stout, 1939) American Society of Plant Biologists, ανατυπώθηκαν με άδεια.
 

Πολλά ζώα χρειάζονται επίσης μολυβδαίνιο: ο μέσος άνθρωπος πρέπει να λαμβάνει καθημερινά περίπου 45 μικρογραμμάρια μολυβδαίνιο, το οποίο προέρχεται από λαχανικά (1 κιλό αφυδατωμένα λαχανικά περιέχουν περίπου 1 μιλιγραμμάριο μολυβδαινίου), καθώς επίσης και από το γάλα και τους ξηρούς καρπούς. Το μέταλλο αποτελεί συστατικό διαφόρων μεταβολικών ενζύμων, συμπεριλαμβανομένου της οξειδάσης του θειώδους άλατος. Αυτό το ένζυμο διασπά το θειώδες άλας το οποίο σχηματίζεται από αμινοξέα και έτσι αποτρέπεται η συσσώρευση θειώδους στο σώμα, όπου μπορεί να προκαλέσει θανατηφόρα βλάβη. Ένα άλλο ένζυμο που χρησιμοποιεί μολυβδαίνιο είναι η οξειδάση της ξανθίνης, η οποία διασπά την ξανθίνη (εντοπίζεται στο κρέας και σε άλλα φαγητά) σε ουρικό οξύ. Στη συνέχεια αυτό αφαιρείται από το σώμα με τους νεφρούς. Για αυτό το λόγο οι αναστολείς της οξειδάσης της ξανθίνης χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της ουρικής αρθρίτιδας – μια ασθένεια στην οποία περίσσεια ουρικού οξέος συσσωρεύεται στις αρθρώσεις και στους τένοντες των μυών, προκαλώντας πόνο.

Αρκετά λαχανικά, ειδικά τα φασόλια, περιέχουν μολυβδαίνιο, αλλά η ποσότητα εξαρτάται από το έδαφος στο οποίο μεγαλώνουν και από το είδος του λαχανικού.
  Susan Watt

Τεχνολογία και βιομηχανία

Μία αξιοσημείωτη πρόωρη τεχνολογική χρήση του μολυβδαινίου χρονολογείται από τον 14ο αιώνα στην Ιαπωνία: ένα σπαθί σαμουράι που βρέθηκε από αυτήν την περίοδο περιείχε μολυβδαίνιο, το οποίο θα συνέβαλε στην ενίσχυση της θρυλικής δύναμης και της αιχμηρότητας τέτοιων λεπίδων.

Στη Δύση, η πρώτη βιομηχανική χρήση του μολυβδαινίου ήρθε στα τέλη του 19ου αιώνα ως υποκατάστατο του βολφραμίου στη χαλυβουργία. Κατά τη διάρκεια του 1ου παγκοσμίου πολέμου, τα αποθέματα βολφραμίου ήταν τόσο εξαντλημένα που το μολυβδαίνιο άρχισε να εξορύσσεται σε μεγάλη κλίμακα, ιδιαίτερα στις ΗΠΑ. Η κύρια πηγή ήταν το ορυχείο στο Κλάιμαξ (Climax), Κολοράντο (Colorado), ΗΠΑ. Ξεκινώντας από το 1915, για πολλά χρόνια αυτό το ορυχείο παρείχε τα τρία-τέταρτα του μολυβδαινίου παγκοσμίως.

Το ορυχείο μολυβδαινίου στο Κλάιμαξ(Climax), Κολοράντο(Colorado), ΗΠΑ
Gord McKenna / Flickr
 

Το μολυβδαίνιο χρησιμοποιήθηκε στη Γερμανία κατά τη διάρκεια του 1ου Παγκοσμίου Πολέμου για στρατιωτικό υλικό –  κάνες όπλων, πανοπλίες, οβίδες και τμήματα υποβρυχίων.  Προσθέτοντας μία μικρή ποσότητα (1-2%) από μολυβδαίνιο βελτιώθηκε δραματικά η ισχύς του χάλυβα: οβίδες οι οποίες διαπερνούσαν εύκολα 75mm θωράκισης έγιναν ανίσχυρες έναντι μία ατσάλινης πλάκας 25mm από μολυβδαίνιο. Αυτό το ‘γερμανικό μυστικό χάλυβα’ ακολουθήθηκε από την ανάπτυξη χάλυβα

Το μολυβδαίνιο σήμερα

Σήμερα, η κύρια χρήση για το μολυβδαίνιο εξακολουθεί να είναι σε κράματα, ιδιαίτερα χάλυβα. Ένα πολύ διαδεδομένο κράμα (316L ανοξείδωτος χάλυβας) περιέχει 2-3% μολυβδαίνιου και είναι σκληρό, ανθεκτικό στη διάβρωση και υποαλλεργικό, οπότε χρησιμοποιείται σε μια τεράστια ποικιλία προϊόντων, από θήκες κινητών τηλεφώνων μέχρι σε κοσμήματα για “body piercing” (τρύπημα σώματος), κ

Ενώσεις μολυβδαινίου χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής τεχνολογίας. Εδώ, βοηθούν στην παροχή της τεχνολογίας ‘οθόνης αφής’ η οποία χρησιμοποιείται όλο και πιο πολύ στα κινητά τηλέφωνα και στα τάμπλετ, καθώς επίσης και σε πιο συμβατικές οθόνες υγρών κρυστάλλων ( LCD) και σε ηλιακούς συλλέκτες.

Το μολυβδαίνιο είναι επίσης συστατικό σε πολλά ‘μαγνητικά κράματα’ τα οποία χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές, με χρήσεις που κυμαίνονται από τροφοδοτικά και μετασχηματιστές έως μικροηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι διαστημικές υπηρεσίες NASA και ESA χρησιμοποίησαν υλικά molypermalloy (MPP) (κράματα νικελίου, σιδήρου και μολυβδαινίου) σε αποστολές που έγιναν στον Δία, στον Κρόνο και στον Άρη. Η αποστολή  Cassini-Huygens χρησιμοποίησε τέτοια υλικά στο ενσωματωμένο φασματοφωτόμετρο μάζας του, το οποίο έστειλε πίσω δεδομένα για την ατμόσφαιρα στον Κρόνο και στα φεγγάρια του. Έτσι, το μολυβδαίνιο μπορεί κάποια μέρα να μας βοηθήσει να εντοπίσουμε ζωή σε έναν άλλον πλανήτη – καθώς και να υποστηρίξουμε ζωή από μόνοι μας.

Απεικόνιση που δείχνει το διαστημόπλοιο Cassini να διασχίζει τα δαχτυλίδια του Κρόνου 
ESA

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν την Dr Ulrike Kappler για τις συμβουλές της σχετικά με το άρθρο.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Η Anastasiia Batsmanova είναι φοιτήτρια και ο Dr Mikhail Liabin είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Βιοϊατρικής και Βιοπληροφορικής, στο Volgograd State University, Ρωσία. Η Stepanova Yelizaveta Dmitrievna είναι ανώτερη εκπαιδεύτρια στο τμήμα επικοινωνίας ξένων γλωσσών στο πανεπιστήμιο.

Η Susan Watt είναι συντάκτης στο Science in School και συγγραφέας επιστημών. Στην κατοχή της έχει πτυχίο στις φυσικές επιστήμες και έχει γράψει αρκετά βιβλία για σχολεία όσον αφορά κάποια συγκεκριμένα χημικά στοιχεία.


Review

Αυτό το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εμβαθύνει τη γνώση των μαθητών όσων αφορά το μολυβδαίνιο, ένα από τα λιγότερο γνωστά στοιχεία τα οποία εντοπίζονται στην φύση. Μπορεί επίσης να γίνει ένα σημείο εκκίνησης για να συζητηθεί ο απαραίτητος ρόλος τέτοιων ελάχιστα-γνωστών στοιχείων στη ζωή, και για να αυξηθεί η επίγνωση όσον αφορά τη σημασία της έρευνας στην εξέλιξη της επιστήμης.

Πιθανές ερωτήσεις κατανόησης περιλαμβάνουν:

  • Μπορείτε να ονομάσετε δύο επιστήμονες οι οποίοι εμπλέκονται στην ανακάλυψη του μολυβδαινίου;    Εξηγήστε το ρόλο τους στην ανακάλυψη αυτού του στοιχείου.
  • Γιατί το μολυβδαίνιο είναι ένα καλό υλικό για τη χρήση σε περιπτώσεις όπου χρειάζεται σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες;
  • Γιατί είναι τα ένζυμα μολυβδαινίου απαραίτητα στα φυτά;
  • Γιατί το μολυβδαίνιο χρησιμοποιήθηκε σε σπαθιά σαμουράι;
  • Μπορείτε να αναφέρετε τρία καθημερινά προϊόντα που περιέχουν μολυβδαίνιο;  

Mireia Güell Serra, καθηγήτρια χημείας, , INS Cassà de la Selva, Ισπανία




License

CC-BY